中性解堵工作液開發(fā)與應(yīng)用

孫海波，陳小娟，張 倩，巨江濤

（中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西西安 710200）

姬塬油田目前已經(jīng)達到年產(chǎn)原油300×104t，是長慶油田實現(xiàn)5 000×104t 目標的重要資源基礎(chǔ)[1]。姬塬油田自2004 年大規(guī)模開發(fā)，近年來一定數(shù)量的油水井逐漸呈現(xiàn)地層堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致油井產(chǎn)量遞減快，地層能量損失嚴重，油水井增產(chǎn)穩(wěn)定壓力大[2]。針對儲層堵塞問題，常用酸化和重復(fù)壓裂進行解堵，姬塬油田油水井經(jīng)以上儲層改造手段起到較好的穩(wěn)產(chǎn)效果，其中酸化措施占比達到55 %以上[3]。從儲層保護和提高區(qū)域整體采收率角度來看，酸化解堵是最佳解決方案之一。2016年以來對油田環(huán)保作業(yè)提出了更高要求，關(guān)于酸化使用的酸液在運輸、配液、施工、殘酸返排過程中存在的安全與環(huán)保隱患屢屢出現(xiàn)[4，5]。針對以上難題，提出開發(fā)一種中性解堵工作液，以期望可以替代酸化作業(yè)的解堵液，降低了酸化解堵作業(yè)安全、環(huán)保風險，為增產(chǎn)作業(yè)提供一項環(huán)保解堵的新方向。

1 實驗材料和儀器

1.1 實驗材料

氨基羧酸鹽、羥基羧酸鹽、有機磷酸鹽、滲透劑、增溶劑（均為自制），水樣、垢樣、天然巖心（均來自長慶油田采油五廠）。

1.2 實驗儀器

AFS-870 型酸化多功能巖心驅(qū)替儀（美國），D8 X-射線衍射儀（德國），ICS-5000 離子色譜，JSM6510掃描電子顯微鏡（日本），JHDG 地層動態(tài)結(jié)垢試驗儀，263A-1 電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)。

2 姬塬油田儲層堵塞分析

姬塬油田耿19 區(qū)2003 年以300 m×300 m 正方形反九點投入注水開發(fā)，主力層位為長2。平均孔隙度為13.3%，平均滲透率為4.4 mD。目前綜合含水為46.7%，地質(zhì)儲量采出程度為13.3 %。自2004 年開始進行注水開發(fā)，隨著開發(fā)時間的延長，地層堵塞頻繁，堵塞井次逐年增多，且產(chǎn)能恢復(fù)率在60 %以下，措施效果逐年變差。室內(nèi)對姬塬油田儲層堵塞進行分析，明確堵塞因素，從而進行針對性開發(fā)解堵工作液。

采用離子色譜儀對姬塬油田注入水和地層水進行水質(zhì)分析，結(jié)果（見表1）。

注入水礦化度較低，成垢離子中硫酸根離子含量較高，含有一定量的碳酸氫根離子，礦化度在5.2 g/L。地層水中二價金屬離子含量較高，并含有一定量鋇鍶離子。

根據(jù)油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測標準（SY/T 0600-2009），室內(nèi)注入水和地層水分別按照0：100、10：90、20：80、30：70、40：60、50：50、60：40、70：30、80：20、90：10 和100：0 體積數(shù)混合均勻后，在75 ℃下恒溫測定結(jié)垢離子前后變化，實驗結(jié)果（見圖1）。

表1 水樣水質(zhì)分析結(jié)果

圖1 離子結(jié)垢預(yù)測結(jié)果

從預(yù)測結(jié)果來看，注入水與對應(yīng)油井的地層水混合后，存在結(jié)垢現(xiàn)象，主要是硫酸鋇（鍶）垢，其次是碳酸鈣垢和硫酸鈣垢。當注入水和地層水混合比例為1：9時結(jié)垢量最小211.6 mg/L。隨注水周期延長，硫酸鹽垢結(jié)垢量將進一步加劇，當注入水和地層水混合比例為6:4 時結(jié)垢量最大。

采用XRD 和能譜儀對油井垢樣進行分析，結(jié)果（見表2、表3）。表2、表3 結(jié)果顯示，垢樣主要成分是：碳酸鈣、硫酸鈣、硫鐵礦，含有少量硫酸鋇、硫酸鍶，垢樣表面混有黏土礦物。

通過以上測試結(jié)果可知，堵塞物的垢樣成分復(fù)雜，一般酸液能起到一定的解堵效果，但仍有一定量的堵塞物無法解除，這也是儲層經(jīng)多次酸化后效果逐次降低的主要因素。由于儲層敏感性資料顯示存在一定堿敏，堿性工作液會對儲層帶來一定傷害，不利于儲層保護。鑒于酸液在運輸、配液、施工、殘酸返排過程中存在的安全、環(huán)保風險，室內(nèi)開發(fā)一種中性解堵工作液既可以解除儲層復(fù)雜堵塞物，同時減少酸液使用。

表2 垢樣X-衍射分析結(jié)果表

表3 垢樣成分的能譜分析結(jié)果

3 中性解堵工作液開發(fā)

3.1 工作液開發(fā)

結(jié)合前期對姬塬油田水質(zhì)分析、離子結(jié)垢預(yù)測和垢樣測試結(jié)果，室內(nèi)有針對性的開發(fā)一種工作液進行解堵。該工作液應(yīng)具有解除碳酸鈣、硫酸鈣垢、硫垢及少量硫酸鋇垢能力。為了避免使用酸液，同時具有解堵性能，工作液中不能含有酸性物質(zhì)，不能對金屬管柱嚴重腐蝕。工作液開發(fā)思路：螯合劑將堵塞物螯合、絡(luò)合，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生可以溶于水的、比成垢物質(zhì)本身更加穩(wěn)定的螯合物。增溶劑增加螯合劑的溶解度，增大溶垢質(zhì)量，提高溶垢效率。滲透劑使螯合劑快速滲透到堵塞物內(nèi)部，提高螯合劑與堵塞物接觸表面，從而加快反應(yīng)速度，減少反應(yīng)時間。

室內(nèi)自制了三種性能優(yōu)良的螯合劑，分別為氨基羧酸鹽，羥基羧酸鹽，有機磷酸鹽，篩選了增溶劑和滲透劑，采用正交實驗考察材料對現(xiàn)場垢樣的解堵率，其中工作液為100 mL，堵塞物為10 g，反應(yīng)時間為12 h，反應(yīng)溫度為75 ℃，實驗結(jié)果（見表4、表5）。

得出中性解堵工作液中各材料的最佳配比為E2、A2、C2、D2、B2，因此中性解堵工作液配方為15 %氨基羧酸鹽類+8 %羥基羧酸鹽+4 %有機磷酸鹽+1 %增溶劑+1 %滲透劑。

合成中性解堵工作液采用pH 計測量溶液pH 值為7.8，自來水pH 值為7.21，中性解堵工作液與自來水pH 相當。

3.2 工作液性能評價

3.2.1 溶蝕性能 室內(nèi)配制好中性解堵工作液，對碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、垢樣、巖心、黏土進行溶蝕，工作液100 mL，溶蝕對象為10 g，反應(yīng)時間為12 h，反應(yīng)溫度為75 ℃，不同物質(zhì)的溶蝕率結(jié)果（見圖2）。

圖2 工作液對不同物質(zhì)的溶蝕能力測試

結(jié)果顯示，12 h 以內(nèi)工作液對碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇和垢樣的溶蝕率隨時間增加而快速增加，12 h 后隨時間增加溶蝕率增加緩慢，其中12 h 時對碳酸鈣溶蝕率為63.2 %，對硫酸鈣溶蝕率為84.8 %、對硫酸鋇溶蝕率為12.9%、對垢樣溶蝕率為74.5%。工作液對巖屑和黏土溶蝕主要集中在前6 h，對巖屑溶蝕率為5.4 %、對黏土礦物溶蝕率29.4 %。說明工作液具有一定的解堵能力。

表4 正交實驗表頭

表5 正交實驗表L12（211）

3.2.2 腐蝕性能 室內(nèi)參考《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法》（SY/T 5329-2012）行業(yè)標準，評價了中性解堵工作液在75 ℃下、30 d 條件下對J55 鋼片平均腐蝕速率為0.057 mm/a。其對管柱的腐蝕性能與注入水相當，因此該工作液注入地層后無需洗井、返排，可直接按生產(chǎn)流程正常投產(chǎn)。

3.2.3 螯合性能 取中性解堵工作液與垢樣進行反應(yīng)，測定工作液對垢樣溶解后釋放出來的金屬離子的螯合能力，實驗中測得螯合量通過前期滴定測試的標準圖版進行取值，可得到工作液在不同階段反應(yīng)時間下對金屬離子的螯合能力，實驗條件為工作液為100 mL、堵塞物為10 g、反應(yīng)溫度75 ℃，結(jié)果（見圖3）。

圖3 結(jié)果顯示，工作液具有良好的螯合性能，與垢樣反應(yīng)12 h 時對金屬離子螯合總量達到373.4 mg/L，24 h 對金屬離子螯合總量達到503.7 mg/L，利于工作液解除堵塞物后抑制二次沉淀對儲層堵塞。

3.2.4 巖心流動性能 巖心流動性能是在室內(nèi)采用高溫高壓巖心流動儀，通過巖心靜態(tài)傷害實驗進一步評價了中性解堵工作液對儲層的適應(yīng)性。實驗用巖心為姬塬油田延長組儲層巖心，實驗溫度為75 ℃，實驗程序：正向飽和地層水→正向驅(qū)煤油測得滲透率K1→反向驅(qū)中性解堵工作液2 PV，保持12 h→正向驅(qū)煤油測得滲透率K2，求出傷害率（1-K2/K1），實驗結(jié)果（見表6）。表6 結(jié)果顯示，在75 ℃條件下中性解堵工作液對儲層巖心傷害率為1.2 %，工作液進入儲層后對儲層巖心傷害率極低，不會對儲層帶來較大負面?zhèn)?，說明工作液對儲層具有較好的適應(yīng)性。

4 施工方式

由于中性解堵工作液對生產(chǎn)管柱腐蝕速率極低，根據(jù)室內(nèi)解堵參數(shù)及現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況，該工作液注入可分為兩種施工方式：

施工方式一：（1）更換施工管串；（2）通過水泥泵車將中性解堵工作液由油管注入（施工壓力在25 MPa 以內(nèi)）；（3）靜止浸泡24 h～48 h 后；（4）更換生產(chǎn)管串，轉(zhuǎn)正常生產(chǎn)流程。

施工方式二：（1）不更換施工管串，僅取出生產(chǎn)泵掛；（2）通過水泥泵車（緩慢）將中性解堵工作液由油套環(huán)空注入（施工壓力在5 MPa 以內(nèi)）；（3）靜止浸泡24 h～72 h 后；（4）直接轉(zhuǎn)正常生產(chǎn)流程。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

該技術(shù)在姬塬油田現(xiàn)場應(yīng)用34 口井，根據(jù)儲層厚度和堵塞狀況，平均單井設(shè)計工作液22 m3，施工排量450 L/min～500 L/min，關(guān)井反應(yīng)24 h，施工全過程無酸性氣體產(chǎn)生，施工順利，采出液（返排液）pH 為7.32 呈中性，直接投產(chǎn)完井。措施后平均日增油1.4 t，單井日增油同比酸化措施提高了53.3 %，取得了較好的增產(chǎn)效果。其中X36-65 為底水油藏一口采油井，措施后產(chǎn)液量達到預(yù)期目標，含水率得到較好的控制，對比井含水率上升明顯（見表7）。經(jīng)分析認為由于中性解堵工作液對儲層基質(zhì)的溶蝕率極低，主要針對無機堵塞物的解除，防止底水油藏基質(zhì)過度溶蝕引起底水快速上升，該技術(shù)特點適應(yīng)于底水油藏解堵作業(yè)。

6 結(jié)論

（1）通過姬塬油田堵塞因素分析，確定堵塞物成分為中性解堵工作液開發(fā)提高明顯方向。

表6 中性解堵工作液對儲層巖心流動實驗結(jié)果

表7 實驗井效果統(tǒng)計

（2）研發(fā)出一種中性解堵工作液產(chǎn)品，工作液pH為7.8 呈中性、對管柱腐蝕速率極低，對金屬離子具有較強的螯合性能，減少二次沉淀產(chǎn)生，對姬塬油田垢樣12 h 溶蝕率為74.5 %，對儲層巖心傷害率為1.2 %，儲層適應(yīng)性好。

（3）該工作液應(yīng)用34 口井，措施后平均日增油達到1.4 t，同比酸化措施提高了53.3 %，較好解除了儲層堵塞，達到中性解堵目的。

（4）中性解堵工作液成功應(yīng)用降低了解堵作業(yè)安全、環(huán)保風險，同時為底水油藏解堵難題提供了一項新途徑。